Wie viel teurer sind wissenschaftliche Instrumente für den Weltraumeinsatz?

Vorwort: Ich bin weit, weit davon entfernt, ein Experte für Weltraumelektronik zu sein; Ich glaube nicht, dass ich beurteilen kann, wie viel diese Sensoren tatsächlich sind , was die Titelfrage ist; Alles, was ich anbieten kann, ist ein ungebildeter, alberner Streifzug darüber, wohin dieses Geld fließen könnte.

Nehmen wir Ihre Analogie eines Wärmesensors im Schnäppchenkeller; Lassen Sie uns eigentlich ein gewöhnliches Melexis-Teil von der Stange spezifizieren .

Zunächst werden Sie feststellen, dass das Datenblatt besagt, dass der Sensor zwischen -40 und 125 ° C charakterisiert ist. Die Reise zum Mars wird monatelang massive thermische Zyklen haben ... wird der Sensor außerhalb dieses Temperaturbereichs funktionieren? Wenn ja, wie weit? Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Linse bei unter -40 °C zerbricht? Wie genau wird es sein?

Die Beantwortung dieser Fragen wird wahrscheinlich einige Monate in einer Temperaturwechselkammer und einem entsprechend qualifizierten Ingenieur oder Wissenschaftler dauern, was beides nicht billig ist (insbesondere für einen staatlichen Auftragnehmer). Allein dieser Test kann zwischen 10.000 und 50.000 $ kosten. Man könnte es vernachlässigen, aber Sie werden mit ziemlicher Sicherheit einen nicht funktionierenden Sensor bei der Ankunft auf dem roten Planeten haben.

Angenommen, Sie kommen auf die brillante Idee, die Temperatur des Sensors aktiv zu regeln, wie es bei den meisten Raumfahrzeugsystemen der Fall ist.

Jetzt haben Sie nicht nur 4 Drähte, die zu Ihrem Sensor gehen; Sie haben Thermistoren, Heizungen und Sie benötigen ein Temperaturregelsystem, das ausreichend gehärtet ist, damit eine Softwaresperre Ihr armes kleines Bolometer (und alle anderen Sensoren an diesem Anhang) nicht auf 600 K bringt.

Dafür benötigen Sie Embedded-Software-Ingenieure, thermische FEA-Leute zum Entwerfen Ihrer Heizkörper, die Beteiligung der Industrie, um Ihnen diese ausgefallenen kundenspezifischen Heizungen zu bauen (die Sie jetzt in die Gefahr bringen, Overhead-Aufträge zu vergeben) usw. All diese erfahrenen Leute werden es leicht haben kosten Sie jeweils > 300.000; Denken Sie daran, dass ein Mitarbeiter in der Regel etwa das Doppelte seines Gehalts kostet.

Erwägen Sie nun, diese Tests auszuführen auf:

• Ausgasen; Diese anderen Wissenschaftler mit anderen Sensoren könnten sich ein wenig ärgern, wenn sie etwas von Ihrem IR-Detektor finden, das auf ihren Spektrometern und Reflektoren und so weiter abgelagert ist.
• Strahlungstoleranz; Wie wird sich der Sensor unter dem ständigen Bombardement geladener Teilchen und kosmischer Strahlung in der rauen dazwischenliegenden Leere verschlechtern?
• und Dutzende und Aberdutzende anderer langwieriger und teurer Parameter.

Daraus ergeben sich die Größenordnungen. Im Wesentlichen werden die Kosten des Sensors von den Menschen getragen, die eine Weile intensiv auf den Sensor starren müssen.

Auf der anderen Seite gibt es sicherlich einen aufkeimenden Markt für billigere, einfachere Raumfahrzeuge mit geringeren Anforderungen für alle oben genannten Punkte. Für billige Kurzstreckenmissionen wie CubeSats, bei denen eine Ersatzmission nicht übermäßig zu beanstanden wäre, verwenden die Leute tatsächlich COTS-Sensoren. Ein Projekt verwendete sogar ein komplettes Standard-Smartphone, um seinen Satelliten mit Strom zu versorgen.

Bei Reisen über längere Strecken, bei denen einfachere, weniger charakteristische Lösungen höchstwahrscheinlich versagen und wo möglicherweise das Gewicht der Erfolgsanforderungen der Finanzierungsbürokratie größer ist, gehen die Designer auf Nummer sicher und geben etwas mehr Geld aus.

Ich werde mich den anderen beiden gut formulierten Antworten anschließen. Zusätzlich zu all den Tests gibt es die Frage "Was tun Sie, wenn das Instrument einen Test nicht besteht?"

Die meisten COTS-Instrumente (Commercial Off-The-Shelf), die Sie möglicherweise bei Home Depot oder sogar Omega Engineering erhalten, sind mit einem gewissen Spielraum für den Einsatz in einer Erdumgebung ausgelegt. Aber nicht zu viel Spielraum; das macht das Instrument teurer als das der Konkurrenz, und das verliert Geschäft. Beachten Sie, dass das erwähnte Melexis-Instrument @ Giskard42 einen Bereich von -40 bis +125 ° C hat. Hier auf der Erdoberfläche können Sie niedrigere Temperaturen erreichen. Der Mars wird nachts viel kälter!

Die Melexis-Ingenieure, die sicherlich früh im Prozess konsultiert würden, würden sofort sagen, dass einige der Komponenten durch widerstandsfähigere – und teurere – Teile ersetzt werden müssten, um die Marstemperaturen ohne zusätzliche Heizgeräte zu bewältigen. Aber die Kosten dieser Teile verblasst im Vergleich zu den Kosten der Neugestaltung, die notwendig ist, um die Teile zu integrieren. Selten verhält sich das widerstandsfähigere Teil genau wie das Original oder passt genau dort, wo das Original war, so dass selbst wenn sich eine Neukonstruktion als unnötig herausstellt, die Betriebseigenschaften neu analysiert und erneut getestet werden müssen. Das Hinzufügen von Heizungen wäre auch eine Neugestaltung.

Die thermische Qualifizierung ist nur ein Teil der Weltraumqualifizierung , ein ziemlich langwieriger Prozess, den die NASA für Hardware benötigt, die für den Einsatz in allen außer den kleinsten NASA-Weltraummissionen vorgesehen ist. Aber oft ist es nicht der schwierigste Teil für COTS-Hardware.

@ Giskard42 erwähnte bereits Strahlungstoleranz. Bei interplanetaren Missionen ist das oft der schwierigste Teil für COTS-Hardware. Moderne Mikroschaltungen (wie ADCs) mit exquisit kleinen Strukturgrößen sind empfindlich gegenüber Strahlungseffekten von Quellen wie primärer kosmischer Strahlung und Sonnenstrahlung, insbesondere Sonnenprotonen. Ein einzelner Treffer kann Einzelereignis-Störungen, Bit-Flips und sogar die gefürchteten Latchups verursachen. Flugqualifizierte Hardware muss (durch Tests) ein gewisses Maß an Strahlungstoleranz nachweisen, was manchmal redundante Unterbaugruppen oder Komponenten erfordert, die Sie in einem handelsüblichen Instrument nicht finden werden. Unmodifizierte COTS-Teile oder -Komponenten bestehen häufig die Bestrahlungstests nicht und das bedeutet normalerweise eine Neugestaltung, und das ist teuer.

All diese Prozesse können ein 5-Dollar-Instrument schnell in ein 50-K-Dollar-Instrument oder sogar ein 500-K-Dollar-Instrument verwandeln, wenn sonst niemand eine weltraumtaugliche Version dieses Widgets haben möchte.

Aber der Kauf des weltraumtauglichen Instruments ist nicht das Ende der Geldgeschichte. Sie müssen auch die Raumfahrzeugingenieure bezahlen, die für die Instrumentenunterbringung sorgen müssen. Ist Ihr Instrument das einzige, das +9 VDC anstelle der für Raumfahrzeuge üblichen 28 VDC benötigt? Dann zahlen Sie für einen Ingenieur, der eine 9-V-Stromunterbaugruppe für das Stromversorgungssystem des Raumfahrzeugs konstruiert und diesen Teil des Kabelbaums konstruiert und betreibt. Sie zahlen auch für einen Wärmetechniker, um zu überprüfen, ob das thermische Design angemessen ist, noch bevor es auf den Schütteltisch (wie @PearsonArtPhoto erwähnt) und in die Thermal-Vac-Kammer geht. Wird Ihr Instrument Signale erzeugen, die andere Raumfahrzeugsysteme stören? Ein in EMI ausgebildeter Ingenieur wird dies untersuchen. Es gibt ein Instrumententeam, für das Sie bezahlen, und ein Raumfahrzeugteam, für das das Projekt bezahlt, die diesen Prozess durchgängig begleiten. Für ein preiswertes Stück Hardware ist dies das teuerste Teil.

In meiner Erfahrung mit Voyager, Cassini, Genesis und Rosetta und vielen Missionskonzeptstudien und -vorschlägen habe ich gesehen, dass einige Instrumente für interplanetare Missionen einstellige Millionen von Dollar kosten, aber nicht viele. Die meisten sind zig Millionen Dollar wert, und wirklich komplexe können eine weitere Null hinzufügen. Ich würde gerne wissen, was das Kepler-Instrument gekostet hat, aber ein Privatdetektiv hält normalerweise Kostenaufschlüsselungszahlen für absolvierte Missionen sehr nah an der Brust.

Eine letzte Anmerkung. In den 1990er Jahren versuchte die NASA unter Dan Goldin als NASA-Administrator, Missionen auf billige Weise zu fliegen, um mehr Missionen zum Fliegen zu bringen. Aber eine Reihe von peinlichen Misserfolgen, die daraus resultierten (wie Mars Polar Lander und die DS-2 instrumentierten Impaktoren, die es trug), beendeten diesen Ansatz und Dan trat bald darauf zurück. Die NASA ist ziemlich intolerant gegenüber Ausfällen, insbesondere bei hoch sichtbaren (für die Öffentlichkeit und den Kongress), Big-Buck-Missionen, und ist bereit, eine Menge Geld auszugeben, um sie zu verhindern.

Nur um Ihnen eine Vorstellung zu geben, hier ist, wie sich die Kosten aufschlüsseln könnten.

Die COTS-Version muss zusammen mit zusätzlichem Material auseinandergerissen werden, um Vibrationstests zu überstehen. Es muss eine Art Software geschrieben werden, um die Daten an das Raumschiff zu senden. Es müssen einige Tests durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Instrument auf dem Mars funktioniert. Das thermische Problem wird wirklich von Bedeutung sein, es muss getestet werden, um sicherzustellen, dass es auf dem Mars funktioniert. Möglicherweise muss etwas Wärme angewendet werden oder Wärmedecken oder ähnliches. Vergessen wir auch nicht, dass der Kunststoff entfernt werden muss, da er eine potenzielle Quelle für Ausgasungen ist.

Unterm Strich könnte ein solches Instrument ziemlich gut funktionieren, aber es wäre machbar. Aber Sie würden wahrscheinlich mindestens 1 Mannjahr an Ingenieursarbeit benötigen, um das Instrument auf das Raumschiff zu bringen. Bei einem Standardsatz von vielleicht 300.000 US-Dollar wird dort das meiste Geld liegen.

Und was würdest du wirklich gewinnen? Wir haben tatsächlich thermische Karten des Mars. http://tes.asu.edu/monitoringmars/index.html . Die Genauigkeit liegt bei wenigen Grad. Die Temperatur wird wahrscheinlich nicht so stark von Punkt zu Punkt variieren. Aber theoretisch wäre es machbar.

Ein Preisfaktor „ eins zu einer Million “ ist nicht allzu verrückt, wenn Sie darüber nachdenken: Ihr Taschenthermometer wurde wahrscheinlich in über einer Million Exemplaren hergestellt. Das Weltraumthermometer wird nur einmal (oder fünfmal, Spitzen) hergestellt. Daher das Kostenverhältnis.

Fügen Sie dazu die verrückte Qualitätskontrolle und den damit verbundenen exponentiellen Papierkram hinzu, und Sie erhalten ein Bild.

Ein weiterer Faktor, den bisher noch niemand angesprochen hat. Hier auf der Erde kümmern wir uns nicht allzu sehr um den Stromverbrauch der meisten Instrumente. Strom ist billig, selten lohnt es sich, viel zu tun, um den Stromverbrauch zu senken.

Bei einer Rakete kommt der Strom jedoch entweder aus Solarzellen (und Sie müssen bezahlen, um sie anzuheben, und den Batterien, wenn sie vor der Sonne geschützt sind) oder Atombatterien (und der Pu-238 für sie ist kritisch kurz Versorgung, ganz zu schweigen von dem Gewicht, es zu heben.)

Sie müssen sich auch darum kümmern, was aus dieser Macht wird. Hier wird es normalerweise in die Atmosphäre abgegeben, wenn Sie damit fertig sind. Die meisten Raumfahrzeuge arbeiten nicht in der Atmosphäre, die Beseitigung von Abwärme ist ein viel größeres Problem.

Ich wollte nur darauf hinweisen, dass der Mars Pathfinder von einer 8085-CPU angetrieben wurde. Das ursprünglich 1976 auf den Markt kam und verwendet wurde, weil es sich um ein Massenprodukt handelte.

Es gibt viele Vorteile bei der Verwendung von Massenproduktionstechnologie. Den statistischen Nachweis der Zuverlässigkeit erhalten Sie durch die vielen Kunden, die es nutzen.

Ingenieure können eine vorhandene Technologie leichter „weltraumtauglich“ machen, indem sie Komponenten hinzufügen/entfernen/aktualisieren und dann eine vollständige Alternative einzeln entwickeln.